隨著電動汽車的不斷普及，科學家們也在努力尋找更具潛力和環保的動力電池。近日，德雷克塞爾大學的一支工程師團隊，就在《自然通訊化學》期刊上介紹了他們的新型鋰硫電池。與依賴於昂貴原材料（比如鈷元素）、且存在諸多問題阻礙的競品相比，這項新研究突破，極大地推進了鋰硫電池的商業化進程。

研究配圖- 1：鋰硫電池在碳酸鹽基電解質中的放電示意圖

通過利用硫的稀有化學相，研究人員得以防止電池中發生破壞性的化學反應，並且有望於未來的EV 動力電池市場展現其巨大的性能潛力。

与镍、钴、锰相比，锂硫电池的一大前景，在于硫元素的储量相当丰富、成本足够低廉、且性能优势也更加显著（或数倍于当今的锂离子电池）。

研究配圖- 2：CNF 材料表徵（來自：Nature Communications Chemistry）

但在投入商業化應用之前，科學家們還得攻克一個難關—— 那就是形成所謂的多硫化物。

隨著電池的運行，它們會進入於陰陽兩極之間來回傳輸電荷的電解質溶液，並在那裡發生化學反應，從而影響電池的容量和壽命。

研究配圖- 3：CNFs / γ-CNFs 相、及其表面特徵

此前科學家們已經成功地將碳酸鹽電解質換成了醚電解質，後者的最大特點，就是不會與多硫化物產生反應。

不過這也帶來了新的問題，畢竟醚電解質本身俱有高度的揮發性、且含有低沸點成分—— 意味著若加熱至室溫以上，電池很可能迅速失效或熔化。

研究配圖- 4：γS-CNFs 的電化學表徵

有鑑於此，德雷克塞爾大學（Drexel.edu）的化學工程師們，一直在潛心研究另一套解決方案—— 從設計一種新的陰極開始。

據悉，新型陰極能夠與當前已投入商用的碳酸鹽電解質一同工作。其由碳納米纖維製成，此前已被證明能夠減緩多硫化物在醚電解質中的移動。

當然，想要驗證新型陰極材料可與碳酸鹽電解質完美協同使用，仍繞不開一些必須完成的工作。

研究配圖- 5：γS-CNF 的倍率性能和高負載分析

首席研究員Vibha Kalra 指出：對於商業製造商來說，這是化解碳酸鹽電解質應用難題的一個最佳途徑。

他們的目標不是推動行業去採用全新的電解質，而是製造一種可在現有的鋰離子電解質系統中工作的新型陰極。

研究配圖- 6：充放電循環後的SEM / TEM 分析

研究團隊先是嘗試運用了一種被稱作蒸汽處理的技術，以將硫束縛在碳納米纖維網中、從而防止危險的化學反應，但遺憾沒有取得預期的效果。

不過歪打正著的是，事實證明他們以一種意想不到的方式形成了硫結晶，並將之轉變成了一種被稱作“單斜伽馬相硫”的物質（算是元素的一種輕微形變）。

研究配圖- 7：充放電循環後的XRD / XPS 分析

這種硫化物的化學相，通常只能在實驗室的高溫環境、或自然界的油井中觀察到。

但對科學家們來說，其最大的優勢，就是不會與碳酸鹽電解質發生不必要的反應，從而消除了形成多硫化物的潛在風險。